UN PROBLEMA TECNOLOGICO: GLI SCAMBIATORI DI CALORE

INTRODUZIONE L'alluminio e' da tempo utilizzato per la produzione di alette di raffreddamento di scambiatori di calore destinati sia ad impianti di condizionamento che di refrigerazione dell'aria. L'ottimo coefficiente di scambio termico, il basso peso per unita' di area e le buone proprieta' meccaniche (che facilitano il processo di stampaggio) hanno decretato il successo di questo metallo in un ampio settore di utilizzazione, che va dai radiatori delle automobili ai climatizzatori di piccole e grandi dimensioni, dai banchi frigo di refrigerazione alle grosse unita' per le camere di congelamento. Molte unita' di scambio termico operano in condizioni gravose, non solo in termini di ventilazione e di temperatura, ma anche per quanto riguarda l'aggressivita' degli ambienti esterni. La presenza di contaminanti quali NaCl in zone marine e SO2 in zone industriali contribuisce a creare, sui manufatti di alluminio, condizioni per l'innesco e lo sviluppo di varie forme di corrosione tali da limitarne le prestazioni e le proprieta' estetiche. Allo scopo di limitare la degradazione dei manufatti, i laminati di Al vengono sottoposti ad un pretrattamento di conversione chimica della superficie e successivamente all'applicazione di un rivestimento polimerico mediante verniciatura [cfr. pag. Precedenti]. CONCETTI GENERALI L'alluminio, pur essendo un metallo molto reattivo e con una forte affinita' verso l'ossigeno, mostra una buona resistenza alla corrosione nella maggior parte degli ambienti aggressivi a causa della formazione, nei primi secondi di esposizione all' atmosfera, di un sottile strato compatto di ossido passivante (Al2O3) di ca. 10 Angstrom di spessore. Generalmente l'alluminio e' stabile in un ampio intervallo di pH, risultando, invece, poco resistente alla corrosione in ambienti acidi, alcalini o neutri contenenti ioni cloruro. In questi ultimi, e' possibile mitigare la velocita' di corrosione dell'alluminio mediante l'uso di opportuni rivestimenti protettivi. Per l'attivazione del processo di corrosione di un metallo e' necessaria la presenza all'interfaccia metallo/rivestimento di acqua, elettrolita ed ossigeno. Questi reagenti attraversano il rivestimento protettivo in misura piu' o meno rilevante in base alla loro permeabilita'-. La permeabilita' della resina all'acqua, all'ossigeno ed all'elettrolita e', pertanto, tra le grandezze che concorrono a determinare l'entita' della protezione offerta da un rivestimento organico. Questa grandezza e' funzione a sua volta della natura della resina, della sua composizione, della tecnologia di applicazione del rivestimento e del suo "ciclo di cura". La velocita' di propagazione del fenomeno corrosivo dipendera' invece dal tipo di substrato metallico e dalla presenza di uno strato di conversione.   LA SCELTA DELLA LEGA Nell'ultimo decennio le aziende produttrici di batterie di alluminio per scambio termico hanno cercato di utilizzare, nella produzione delle alette, nastri di alluminio sempre piu' sottili per la realizzazione di collarini con altezza sempre crescente. Cio' ha indotto i produttori di laminati a ricercare leghe che permettessero di sopportare le ingenti deformazioni meccaniche richieste, in quanto i materiali tradizionali 1050 e 1200 (alluminio puro) non offrivano allo stato di fornitura (incruditi per laminazione) gli allungamenti richiesti a causa della loro tendenza ad ingrossare i grani e a formare strutture metallografiche alquanto grossolane. Per tali motivi, i produttori di laminati misero in commercio nastri in lega 8006 che grazie alle ottime caratteristiche meccaniche venne adottata come lega per la produzione di alette per scambio termico. Per quanto concerne la resistenza alla corrosione dell'alluminio, bisogna dire che tutti gli elementi "alliganti" (tranne il magnesio che ha un potenziale elettrochimico piu' basso rispetto a quello dell'alluminio) concorrono ad aumentare la velocita' di degradazione della lega a causa del loro comportamento catodico rispetto all'alluminio stesso. Questo effetto e' particolarmente significativo in presenza di ioni Cl- (ambiente marino). In altri termini in questo ambiente e' preferibile usare la lega 8079 rispetto alla lega 8006 a causa del piu' alto contenuto in elementi catodici in quest'ultima. La lega 8006 puo' essere impiegata in ambienti industriali ove il meccanismo di corrosione, dovuta alle piogge acide, e' di tipo generalizzato.(vedi fig.14) Figura 14 TRATTAMENTI DI SUPERFICIE PER CONVERSIONE CHIMICA Attualmente, il pretrattamento utilizzato nel processo produttivo per la laminazione sottile e' la fosfocromatazione. Durante questo processo si hanno dissoluzione di allluminio e successiva riduzione di acido cromico attraverso il seguente meccanismo di ossido riduzione:   2Al = 2Al+++ + 6e- 2Al+++ + 3H2O = Al2O3 + 6H+ 2CrO4 - + 10H+ + 6e- = 2Cr(OH)3+2H2O 2Cr(OH)3 + 2H3PO4 = 2CrPO4 + 6H2O   Lo strato di conversione chimica appena formato contiene fosfato di cromo idrato CrPO4 x 6H2O tra il 76 e l'88% ed ossido idrato di alluminio Al2O3 x 3H2O tra il 12 e il 24%. All'uscita del bagno di fosfocromatazione, il film depositato risulta idrofilo e solubile in acido nitrico; l'eliminazione dell'acqua occlusa nello strato di conversione, tramite riscaldamento a 70° C, rende il film insolubile in acido nitrico, pur non variandone le proprieta' idrofile.   LA SCELTA DEL COATING ORGANICO Accanto al processo di conversione chimica, i laminati di Al sono ulteriormente protetti dalla corrosione mediante l'applicazione di un rivestimento organico (verniciatura) ottenuto con processo "coil-coating". Non sempre, pero', l'utilizzatore sceglie il rivestimento organico in funzione dell'ambiente dove lo scambiatore dovra' lavorare e cio' puo' causare problemi di tenuta della vernice e, conseguentemente di corrosione del pacco alettato. Allo scopo di contribuire a fornire elementi utili per la scelta del rivestimento, appare opportune una classificazione di questi ultimi in rivestimenti con caratteristiche "idrofile" e "idrofobe". Rivestimenti "idrofili" devono essere perfettamente impiegati in tutte quelle condizioni ove si utilizzano pacchi alettati a passo ridotto, ottenuti cioe' mediante pressatura "drawless" o anche "draw-type". In questi elementi, infatti, la presenza di condensa puo' causare una perdita di efficienza dello scambiatore in quanto l'acqua, ostruendo il passaggio dell'aria tra le alette, limita lo scambio termico. La presenza di un rivestimento "idrofilo", cioe' ad elevata tensione superficiale, fa si' che, quando la superficie dell'aletta e' bagnata da una goccia d'acqua, essa assuma una forma schiacciata con un angolo di contatto inferiore ai 15° . In queste condizioni, e' sempre possibile la circolazione di aria tra le alette con notevoli benefici per lo scambio termico. Viceversa, in presenza di un rivestimento "idrofobo", l'acqua di condensa assume una forma sferoidale con un angolo di contatto superiore ai 50° . In queste condizioni, e' parzialmente inibita la circolazione di aria con riduzione dell'efficienza dello scambiatore di calore.   RIVESTIMENTI IDROFILI I rivestimenti "idrofili" sono di natura stirolo-acrilica di spessore, normalmente, dell'ordine di ca. 1.5 m m. Questi rivestimenti mostrano una resistenza alla corrosione superiore alle 300 ore nel test classico in nebbia salina (5% NaCl). Tale rivestimento puo' essere attivato con speciali sostanze antibatteriche e funghicide che esercitano la loro funzione nel tempo riducendo i cattivi odori che sono indice di proliferazione batterica. In conclusione, i rivestimenti "idrofili" possono essere utilizzati per batterie a passo ridotto e dove i problemi di condensa possono provocare un brusco decadimento dello scambiatore. D'altro lato, la resistenza alla corrosione di questi rivestimenti e' buona in ambienti marini, ma scarsa in ambienti industriali ed in presenza di sostanze acide.   RIVESTIMENTI IDROFOBI I rivestimenti "idrofobi" vanno scelti, invece, per la loro resistenza ai diversi tipi di corrosione e attacchi da parte di agenti esterni. Essi variano per spessore del film e tipologia del rivestimento; quelli maggiormente in uso sono di natura epossidica, poliuretanica e, talvolta, vinilica. Dal punto di vista generale, i rivestimenti epossidici hanno, se ben curati, una buona resistenza alla nebbia salina e al Kesternich (il test che simula l'aggressione industriale), ma hanno un grave limite: si degradano velocemente in presenza dei raggi ultravioletti e, quindi, non possono essere utilizzati in zone ove l'irraggiamento solare e' forte. I rivestimenti a base di resine poliuretaniche offrono una buona resistenza alla nebbia salina e all'esposizione ai raggi UV, mentre degradano facilmente in presenza di contaminanti industriali.   Recentemente si sono messi a punto cicli di verniciatura "mirati" per specifiche esigenze. In alcuni casi e' stato realizzato un rivestimento dell'ordine di 4–5 m m di spessore su ogni superficie del nastro, stabile, sia in ambiente marino che industriale, ed in presenza di esposizione a raggi UV. Questo risultato e' stato conseguito sulla base di una scelta opportuna del supporto, del trattamento di conversione chimica, del tipo e composizione del film di vernice e di in opportuno ciclo termico per la cura ottimale del rivestimento organico.   METODOLOGIA DI INDAGINE La resistenza alla corrosione dei materiali viene valutata, generalmente, dopo prove accelerate del tipo "nebbia salina" (simulante un ambiente marino) e "Kesternich" (simulante un ambiente industriale). In questo contesto, e' opportuno sottolineare che esistono altri criteri di valutazione della resistenza alla corrosione basati sulla "Spettroscopia di Impedenza Elettrochimica" (Eis). Con questo sistema i dati sperimentali vengono rappresentati in funzione della frequenza (diagramma di Bode) da cui si valutano i segg. Parametri: modulo dell'impedenza a bassa frequenza (0.02 Hz); valore della capacita' di doppio strato valutata a valori piu' elevati della frequenza (100-5000 Hz). La prima grandezza e' pari alla resistenza offerta dall'interfaccia metallo/soluzione al passaggio di cariche, Rct. Elevati valori di Rct sono indicativi di sistemi scarsamente reattivi con l'ambiente con cui sono in contatto, oppure di metalli sottoposti a pretrattamento superficiale (presenza di strati di conversione), oppure di metalli rivestiti. La capacita' di doppio strato viene generalmente utilizzata come ulteriore grandezza caratterizzante la struttura del doppio strato elettrico all'interfaccia metallo/soluzione (Figura 6, in basso). Valori bassi e stabili di questa grandezza nel tempo sono rappresentativi di sistemi poco reattivi. La scarsa reattivita' puo' essere dovuta a: elevata stabilita' del metallo base; presenza di uno strato di conversione chimico; presenza di un rivestimento organico. Figura 15 RISULTATI DELL'INDAGINE La fosfocromatazione (fc), oltre a garantire un'ottima aderenza dei film polimerici applicati mediante successiva verniciatura, migliora la resistenza alla corrosione del laminato di alluminio. Considerando gli andamenti della capacita' di doppio strato di una lega (ad es. 8006) prima e dopo il processo di fosfocromatazione risultano evidenti i miglioramenti. Infatti, la capacita' del campione fosfocromatato presenta valori piu' bassi ed una maggiore stabilita' nel tempo rispetto a quelli osservati per la lega non trattata. Nella soluzione di NaCl la lega 8079 mostra valori piu' elevati di impedenza e quindi una resistenza alla corrosione maggiore della lega 8006. A conferma di cio', la lega 8079 presenta dei "pits" (dai quali si possono sviluppare dei filamenti) solo dopo 2 giorni di esposizione alla nebbia salina. Le migliori prestazioni della lega 8079 sono in accordo con i valori piu' elevati di impedenza a bassa frequenza (dell'ordine di 105 - 106 W cm2). Questo risultato e' da attribuire al minor contenuto in elementi catodici presenti nella lega 8079. Accanto al processo classico di fosfocromatazione, sono stati sviluppati (per ragioni ecologiche) e posti sul mercato trattamenti superficiali alternativi privi di cromo. Tra questi, i piu' diffusi nella pratica industriale sono: FLUOTITANAZIONE (ft) FLUOZIRCONATURA (fz) FLUOTITANAZIONE +PASSIVAZIONE ALLO ZIRCONIO (ft+p) Allo scopo di fornire indicazioni sull'efficacia di questi trattamenti di conversione si sono condotte delle prove su campioni in lega 8011. Da questi test si verifica che il miglior trattamento resta la fosfocromatazione. I provini fluozirconati hanno elevati valori iniziali di impedenza seguiti da un brusco decadimento dopo un giorno di immersione nella soluzione salina. La fluotitanazione porta invece a bassi valori di impedenza indicativi di scarse proprieta' protettive. Tra i pretrattamenti alternativi, quello piu' interessante e' ft+p che mostra un'ottima capacita' di autoprotezione (ha valori elevati di impedenza anche dopo 7 giorni di immersione nella soluzione di NaCl). E' interessante notare che in NaCl i primi segni di corrosione appaiono dopo ca. 24h sui campioni fz e ft+p e dopo 48h sul fluotitanato. Per i campioni fc occorre attendere piu' di 3gg prima di osservare segni di corrosione. Questi risultati confermano le proprieta' protettive superiori conferite dal processo fc rispetto ai trattamenti alternativi. Per quanto riguarda il comportamento alla corrosione di campioni pretrattati con processo fc e successivamente verniciati, la migliore resistenza e' offerta da un doppio strato epossifenolico/poliuretanico, 5-8 g/m2. I provini cosi' trattati, dopo 1500 ore di esposizione, non evidenziano fenomeni corrosivi, nemmeno in prossimita' dei bordi o dell'intaglio praticato sul campione.   CONCLUSIONI I risultati ottenuti attraverso vari test mostrano che molteplici sono le variabili che influenzano la resistenza alla corrosione di laminati di alluminio rivestiti. Tra questi, quelli significativi appaiono essere il supporto, il pretrattamento, la natura del film polimerico e i cicli di applicazione degli stessi in relazione al sito di allocazione (area marina o industriale) della batteria di scambio termico.